CDMA (Code Division Multiple Access) – цифровая беспроводная технология

CDMA (Code Division Multiple Access) - цифровая беспроводная технология, разработанная и впервые внедренная QUALCOMM. CDMA конвертирует речь в цифровую информацию, которая затем пересылается как радиосигнал по беспроводной сети. Используя уникальный код для различения каждой отдельной соты, CDMA дает возможность множеству пользователей одновременно "делить" эфир - без атмосферных помех, "пересечения" разговоров или интерференции.

Стартовав в качестве коммерческого продукта в 1995 году, CDMA быстро стала одной из самых быстро распространяющихся беспроводных технологий в мире. В 1999 году международный телекоммуникационный союз (International Telecommunications Union) выбрал CDMA в качестве промышленного стандарта для новых беспроводных систем "третьего поколения" (3G). Многие ведущие беспроводные носители в настоящее время встроены или модифицированы в сети 3G CDMA, для того, чтобы обеспечить большую емкость для голосового трафика, наряду с возможностью высокоскоростной передачи данных.

Название стандарта CDMA (Code Division Multiple Access) означает "Система множественного доступа с кодовым разделением", и это название отражает принцип работы этого стандарта. CDMA - технология "распределенного спектра", что означает распределение информации, содержащейся в отдельных сигналах на гораздо большую ширину полосы, чем в первоначальном сигнале. Вызов в CDMA начинается со стандартной скорости в 9600 бит/с (9.6 кбит/с). Затем он распространяется до скорости передачи - около 1.23 Мбит/с. "Распределение" означает, что цифровые коды, применяемые к битам данных, ассоциированы с пользователями соты. В отличие от других методов доступа абонентов к сети, где мощность сигнала концентрируется на выбранных частотах или временных интервалах, сигналы CDMA распределены в непрерывном частотно-временном пространстве. Фактически метод манипулирует и частотой, и временем, и мощностью. Традиционное использование распределенного спектра - для военных целей. Из-за значительной ширины полосы сигнала распределенного спектра, его трудно сжать и трудно идентифицировать. Этим он кардинально отличается от технологий, использующих точную ширину частотных полос. Поскольку широкополосный сигнал распределенного спектра очень труден в обнаружении, он проявляется как не более чем легкая возвышенность над "уровнем шума" или уровнем интерференции. В других технологиях мощность сигнала концентрируется внутри узкой, точно определяемой полосы, которая легко обнаружима.

Повышенная безопасность является отличительной чертой технологии CDMA. Звонки с телефона CDMA будут защищены от случайного подслушивания, поскольку, в отличие от взаимодействия в аналоговом режиме, простой радиоприемник не сможет выделить отдельные цифровые взаимодействия из общей массы RF излучения в полосе частот.

Синхронизация выполняется на финальных стадиях кодирования радиосигналов от базовой станции на мобильный телефон, CDMA вводит специальный "псевдослучайный код" в сигнал, который воспроизводится через определенные промежутки времени. Базовые станции в системе отличаются друг от друга тем, что передают различные порции кода в течение заданного промежутка времени. Иными словами, базовые станции передают смещенные по времени версии одного и того же псевдослучайного кода. Для того, чтобы гарантировать, что используемые смещения по времени остаются уникальными (не совпадают для различных базовых станций), станции CDMA должны оставаться синхронизированными в общих временных ячейках. Точность такой общей временной ячейки обеспечивается посредством Global Positioning System (GPS).

Особенности построения сети CDMA

Сеть CDMA строится по принципу "сот" (поэтому и называется сотовой). Такая структура позволяет использовать многократно одни и те же частоты за счет территориального разнесения передатчиков и управления их мощностью излучения.

Сотовая (разновидность ячеистой) структура сети позволяет эффективно организовывать эстафетную передачу вызова, т.е. мягкий роуминг. Абонент не стеснен в передвижении, он может перемещаться из одной соты в другую, незаметно для него переключаясь между базовыми станциями. Кроме того, в случае сбоев в работе или нехватки собственных абонентских радиоканалов базовая станция может передать обслуживание абонентов соседним станциям. Это повышает надежность и отказоустойчивость сети, а значит, и качество обслуживания абонентской нагрузки.

Если изобразить структуру сети CDMA, то получится примерно следующая схема, приведенная на рис. 1. К телефонной сети общего пользования (ТфСОП, ССОП или PSTN) подключается так называемый цифровой центр коммутации (ЦК, или Switch). В свою очередь, в него включены контроллеры базовых станций (BSC - Base Station Controller), которые управляют базовыми станциями и мультиплексируют абонентский трафик. В один контроллер может включаться несколько базовых станций. Базовая станция (BTS - Base Telecommunication Station) организовывает радиоинтерфейс между абонентом и сетью сотовой связи. Особенностью БС является использование разнесенного приема, для чего станция должна иметь две приемные антенны. Кроме того, она может иметь раздельные антенны на передачу и на прием. Другая особенность - наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков, позволяющих вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами.

Центр коммутации подвижных абонентов - это полнофункциональная коммутационная цифровая система, которая отличается от систем коммутации фиксированной связи наличием гостевого и домашнего регистров, центра аутентификации и регистра аппаратуры. Функциональная схема центра коммутации представлена на рис. 2.

Домашний регистр (местоположения - Номе Location Register, HLR) содержит сведения обо всех абонентах, зарегистрированных в данной системе, и о видах услуг, которые могут быть им оказаны. В нем фиксируется местоположение абонента для организации его вызова и регистрируются фактически оказанные услуги. Гостевой регистр (местоположения - Visitor Location Register, VLR) содержит сведения об абонентах-гостях (роумерах), т.е. об абонентах, зарегистрированных в другой системе, но пользующихся в настоящее время услугами сотовой связи в данной системе. Центр аутентификации (Authentication Center) обеспечивает процедуры аутентификации абонентов и шифрования сообщений. Регистр аппаратуры (идентификации - Equipment Identity Register), если он существует, содержит сведения об эксплуатируемых подвижных станций на предмет их исправности и санкционированного использования. В частности, в нем могут отмечаться украденные абонентские аппараты, а также аппараты, имеющие технические дефекты, например являющиеся источниками помех недопустимо высокого уровня.

Центральный коммутатор (Switch Matrix) осуществляет непосредственно коммутацию голосовых каналов и в общем случае мало отличается от подобных устройств в аналогичных цифровых коммутационных системах. Его работой управляет центральный процессор (Processor), иначе говоря, управляющее устройство (УУ). Так же в функции УУ входит сохранение регистрационной и биллинговой информации на сервере биллинга (Billing Server) и ее резервное копирование на внешние носители (в частности, стримеры). Работа коммутационной системы предусматривает участие операторов, поэтому к Центру Коммутации подключается терминальный компьютер, с которого вводятся данные об абонентах и условиях их обслуживания, исходные данные по режимам работы системы.

На Центре Коммутации замыкаются потоки информации со всех базовых станций, с другой стороны, он должен обеспечивать выход абонентов на сети других операторов связи.

Центр коммутации подключается к внешним линиям связи с помощью специальных контроллеров, которые производят промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. С другой стороны, в цифровую коммутационную систему с помощью транскодеров подключаются контроллеры базовых станций.

В ЦК предусмотрено резервирование основных аппаратных элементов, включая блоки питания, процессоры и базы данных. Это позволяет существенно увеличить надежность и отказоустойчивость всей сети, ведь образно говоря, ЦК можно назвать "сердцем" сотовой сети.

Основные вехи в развитии CDMA

1985
ITU (Международный телекоммуникационный союз) назначил временную рабочую группу для определения основных требований к будущим общественным наземным мобильным телекоммуникационным системам, или FPLMTS. Их цель состояла в том, чтобы совместить и наземные, и спутниковые компоненты для обеспечения цельного широкополосного доступа к мобильной связи через глобальную сеть.

1989
Мобильная индустрия США приняла TDMA в качестве цифрового стандарта, который бы заменил аналоговый стандарт AMPS. Это позволило операторам сотовой связи разделять сигнал на мельчайшие доли секунды, чтобы предоставлять одновременный доступ к системе втрое большему числу абонентов. Позже в том же году компания Qualcomm Inc. из Сан-Диего представила систему CDMA, по-новому реализующую идею, десятилетиями использовавшуюся в системе военных спутников. После трех лет тестирования промышленность приняла его в качестве второго стандарта, повышающего емкость системы в 10-20 раз.

1992
TIA основала подкомитет TR-45.5, имеющей своей задачей развитие цифрового сотового стандарта с распределенным спектром.

1993
TIA одобрила стандарт CDMA IS-95. Системы IS-95 разделяют радиоспектр по носителям шириной 1250 кГц (1.25 МГц).

1994
FPLMTS переименован в IMT-2000.

1997
Завершена разработка стандарта IS-95B; скорость передачи данных 64 кбит/с. ITU принял основные рекомендации для оценки радио передающих технологий. Для IS-95 CDMA запущен бренд cdmaOne.

1998
TIA одобрила широкополосный cdmaOne (aka cdma2000) для 3G решения ITU. LG Telecom запустил первые сервисы данных CDMA.

1999
Число пользователей cdmaOne по всему миру достигло 33,621,544. Операторы в Северной Америке, Корее и Японии запустили Интернет и информационные сервисы cdmaOne.

2000
WRC установил дополнительный спектр для IMT-2000. Сегодня системы CDMA имеют более 100 миллионов пользователей по всему миру.